顧菊平 張棖

摘 要：針對(duì)限壓型SPD之間能量配合的問題，根據(jù)傳輸線理論及電路理論對(duì)雷電流的傳輸過程進(jìn)行分析，通過ICGS沖擊電流發(fā)生器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明：波的傳輸理論及電路理論能夠正確性解釋5?H退耦電感代替5m線纜的合理性；采用5 m導(dǎo)線或5?H無磁環(huán)電感作為退耦元件時(shí)，第一級(jí)SPD與第二級(jí)SPD的分流比均為9∶1左右，第一級(jí)SPD泄放大電流，釋放90%以上的能量，而第二級(jí)SPD主要起到限制殘壓的作用，很好的達(dá)到了能量配合的效果；在選擇帶有磁環(huán)的電感作為退耦元件時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到磁飽和現(xiàn)象對(duì)于能量配合所產(chǎn)生的影響，適當(dāng)加大退耦元件的電感值。

關(guān)鍵詞：傳輸線理論 電涌保護(hù)器 退耦元件 能量配合

中圖分類號(hào)：TM23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0110-03

根據(jù)GB-50057建筑物的防雷設(shè)計(jì)規(guī)范中要求，各防雷區(qū)交界處及被保護(hù)設(shè)備處安裝的SPD，其允許的電壓保護(hù)水平和殘壓值必須符合各級(jí)電力裝置絕緣配合的要求，并滿足被保護(hù)設(shè)備的抗沖擊性要求[1]。安裝在LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界面處的第二級(jí)SPD應(yīng)考慮由雷電流引發(fā)的電磁場(chǎng)的作用及進(jìn)一步降低第一級(jí)避雷器的殘壓。這樣，在實(shí)際選擇安裝SPD的過程中，針對(duì)一些建筑物內(nèi)部的設(shè)施設(shè)備，特別是保護(hù)低壓電力系統(tǒng)和敏感的信息系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，為了限制各種入侵的雷電電涌，可能需要裝設(shè)多級(jí)SPD以逐級(jí)削減雷電瞬態(tài)過電壓能量，直到滿足保護(hù)設(shè)備的安全性要求。所以，在多級(jí)SPD設(shè)計(jì)以及實(shí)踐的過程中，常常會(huì)出現(xiàn)一系列由于能量配合而引起的問題，其中最典型的是SPD無法逐級(jí)動(dòng)作，若后一級(jí)SPD比前一級(jí)先動(dòng)作，不僅會(huì)使次級(jí)SPD打壞，還將給被保護(hù)設(shè)備帶來巨大的隱患。所以在工程應(yīng)用中，根據(jù)IEC 62305-4和IEC 61643-12等相關(guān)防雷規(guī)范的要求，兩個(gè)限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度應(yīng)大于5 m。當(dāng)實(shí)際條件無法滿足5 m的長(zhǎng)度時(shí)，為了能有滿足SPD內(nèi)部間的多級(jí)保護(hù)，則需要相對(duì)應(yīng)的器件來實(shí)現(xiàn)能量配合[2]。

1 電路理論的分析

在實(shí)際的工程實(shí)踐中，由于內(nèi)部物理空間的限制，考慮到兩限壓型SPD之間的距離小于電源的波長(zhǎng)，故針對(duì)具體的兩級(jí)SPD能量配合時(shí)應(yīng)當(dāng)在傳輸理論的基礎(chǔ)上通過電路理論對(duì)集中參數(shù)進(jìn)行分析（如圖1所示）[3-4]。

當(dāng)兩級(jí)限壓型SPD距離小于5 m時(shí)，后方的MOV可將瞬態(tài)電壓降到遠(yuǎn)低于前級(jí)MOV的啟動(dòng)電壓，這將阻止MOV1動(dòng)作，因此，在較大的空間條件下，SPD之間的線纜距離要長(zhǎng)一些，這樣可提供足夠大的電感而使MOV1觸發(fā)。不能滿足SPD級(jí)間的線路距離要求時(shí)，前一級(jí)浪涌保護(hù)器不動(dòng)作將使過高的能量到達(dá)后方SPD，同樣會(huì)將后方的SPD打壞。所以兩者之間的配合可通過串聯(lián)退耦電感來保證前級(jí)SPD在后級(jí)動(dòng)作前啟動(dòng)，泄放大電流[5-7]。

退耦元件的電感值應(yīng)當(dāng)確保兩級(jí)壓敏電阻可靠動(dòng)作，其計(jì)算公式如下：

（1）

式中：為MOV1的放電電壓；

為脈沖的上升率；

為后方MOV2的電壓降，（注意R是非線性值）。

由上式可得出：

（2）

根據(jù)常用壓敏電阻便的參數(shù)以及上式可以估算出電感值約等于5?H[8-9]。經(jīng)過測(cè)量，每米的導(dǎo)線電感量約為1?H，綜合考慮多種因素，如響應(yīng)時(shí)間25ns的不確定性、不同種壓敏電阻特性的分散性等。實(shí)際工程中用5?H的退耦電感來替代導(dǎo)線，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)限壓型SPD間的能量配合[10]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳輸理論及電路理論對(duì)于分析兩級(jí)限壓型SPD能量配合問題上運(yùn)用的正確性，進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)。當(dāng)距離要求不能夠滿足5 m時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)來正確選擇退耦元件電感值的大小[11-12]。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及元件

FC-2G防雷元件測(cè)試儀，TH2818元件自動(dòng)分析儀，ICGS雷電沖擊試驗(yàn)平臺(tái)，本實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一采用34 mm×34 mm的壓敏電阻片，參數(shù)值分別為：UC=385V，In=20 kA，Imax=40 kA，UP=2 kV。

2.2 用5 m的導(dǎo)線作為退耦元件

如圖1連接方式將，利用5 m導(dǎo)線作為退耦元件，將靜態(tài)參數(shù)相同的兩個(gè)限壓型SPD并聯(lián)連接。先測(cè)量總通流和殘壓，再測(cè)量流過后級(jí)壓敏電阻的通流和殘壓。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖2是這種接法在10kV的8/20?s電流波沖擊下總通流和總殘壓與后級(jí)壓敏電阻上的殘壓和通流的波形圖（①表示殘壓，②表示通流）。

通過表1可知，當(dāng)兩個(gè)靜態(tài)參數(shù)相同的限壓型SPD通過5 m導(dǎo)線并聯(lián)時(shí)，兩級(jí)的平均分流比為89.7%和10.3%，再結(jié)合圖3，可以看出兩級(jí)的總通流和第一級(jí)通流的陡度較大，上升趨勢(shì)十分明顯，這都說明了在這種連接方式下，前級(jí)SPD主要起到泄放大電流的作用，而后級(jí)SPD除了泄放少部分雷電流之外還起到箝壓的效果，使負(fù)載上的電壓小于其本身的耐受沖擊電壓。同時(shí)，隨著沖擊電壓的增大，兩級(jí)的殘壓都在增大，但上升趨勢(shì)比較緩慢，這與傳輸理論的分析結(jié)果一致。

2.3 用5?H無磁環(huán)電感作為退耦元件

如圖1連接方式將，利用5?H的無磁環(huán)電感，將靜態(tài)參數(shù)相同的兩個(gè)限壓型SPD并聯(lián)連接。先測(cè)量總通流和殘壓，再測(cè)量流過后級(jí)壓敏電阻的通流和殘壓。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)兩個(gè)靜態(tài)參數(shù)相同的限壓型SPD通過5?H的無磁環(huán)電感連接時(shí)，兩級(jí)的平均分流比為88.3%和11.7%。比較圖3和圖4可知，無論是分流比還是各級(jí)通流的上升趨勢(shì)都與5 m導(dǎo)線連接時(shí)的情況基本接近，這說明，用同等值的無磁環(huán)電感代替5 m導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)兩級(jí)限壓型SPD之間的能量配合是合理的。

2.4 用5 m導(dǎo)線等值的5?H帶磁環(huán)電感作為退耦元件

利用磁導(dǎo)率為5000 H/m的磁環(huán)制作退耦電感，如圖1連接方式將，將靜態(tài)參數(shù)相同的兩個(gè)限壓型SPD并聯(lián)連接。先測(cè)量總通流和殘壓，再測(cè)量流過后級(jí)壓敏電阻的通流和殘壓。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

通過表3可知，當(dāng)兩限壓型SPD之間并聯(lián)5?H的帶磁環(huán)電感時(shí)，兩級(jí)之間分流比平均值為76.7%和22.3%。這說明，在實(shí)際的電路中，雖然這種情況下前級(jí)SPD的主要作用仍然是泄放大的雷電流，后級(jí)除了泄放小部分雷電流之外也還能夠箝壓，但其配合的效果與5 m導(dǎo)線作為退耦電感時(shí)差別較大。這是因?yàn)?，?dāng)大電流通過帶磁環(huán)電感時(shí)出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象，使電感的值減小。這個(gè)并聯(lián)電路的電壓計(jì)算情況

（3）

其中Ures1和Ures2分別是前級(jí)和后級(jí)壓敏電阻上的殘壓值，出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象后，使得電感上的壓降減小，從而使Ures2增大，進(jìn)而使后級(jí)SPD上的電流變大，這與電路理論的分析基本一致。因此，我們?cè)谟脦Т怒h(huán)電感作為退耦元件時(shí)應(yīng)考慮到其可能出現(xiàn)的磁飽和現(xiàn)象[13-15]。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）采用5 m導(dǎo)線或5?H無磁環(huán)電感作為退耦元件時(shí)，第一級(jí)壓敏電阻與第二級(jí)壓敏電阻之間的分流比均為9∶1左右，這說明在實(shí)際電路中，第一級(jí)壓敏電阻主要作用是泄放大電流，釋放90%以上的能量，而第二級(jí)壓敏電阻除了泄放少部分雷電流之外，主要起到限制殘壓的作用，很好的達(dá)到了能量配合的效果。

（2）實(shí)驗(yàn)表明：在選擇帶有磁環(huán)的電感作為退耦元件時(shí)，由于磁飽和現(xiàn)象，使得第二級(jí)壓敏電阻的分得的電流明顯增大，殘壓也隨之升高。為了避免這種現(xiàn)象，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)增大退耦元件電感值。

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